Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Специальные методы сварки плавлением в электронике. Учебное пособие для бакалавров
.pdf
другими атомами хрома, они излучают фотоны характеристической длины волны, возвращаясь опять в исходное состояние.
Вышедший после многократного усиления в резонаторе пучок
собирается линзой и фокусируется на изделии.
Рис. 3.12. Оптическая схема установки «Квант-15»:
1 — сферические зеркала; 2 — активный элемент;
3 — импульсная лампа накачки; 4 — отражатель; 5 — линзы;
6 — встроенная оптическая система; 7 — зеркало; 8 — объектив;
9 — защитное стекло; 10 — поверхность обрабатываемых
деталей; 11 — осветитель; 12, 13, 14 — линзы
Рисунок 3.12 наглядно демонстрирует оптическую схему
лазерной установки «Квант-15»:
резонатор лазера образован двумя сферическими зер-
калами (1);
между зеркалами резонатора находятся два соосно ус-
тановленных квантрона, состоящих из активного элемента (2),
импульсной лампы накачки (3) и отражателя (4) в виде стеклянного цилиндрического блока;
излучение проходит через линзы (14), (13), (5), (12) теле-
скопической системы, которая позволяет изменить расходимость луча;
с помощью зеркала (7) излучение направляется на объ-
ектив (8), который фокусирует его на поверхность обрабатываемых деталей (10);
111
защитное стекло (9) предохраняет объектив от загряз-
нения продуктами взаимодействия излучения с материалом
свариваемых деталей;
встроенной оптической системой (6) осуществляются
наводка излучения и визуальный контроль места сварки;
осветитель (11) служит для ос вещения деталей.
3.2.2. Источники питания
Главное предназначение схем питания установок для
сварки — обеспечивать преобразование сетевого напряжения
достаточной мощности для питания всех устройств (прежде
всего сварочного инструмента). Источники питания лазерных
установок (батареи конденсаторов, заряжаемые от высоковольтного выпрямителя) служат для питания лампы накачки,
а блок поджига (состоит из конденсатора с самостоятельной зарядной цепью и импульсного трансформатора) — для начальной ионизации разрядного промежутка лампы. Стандартное
питание мощных лазеров: твердотельных с водным охлаждением, газовых, мощных волоконных — 380 В из промышленной
сети; маломощные и лазеры средней мощности могут питаться
от стандартной розетки 220 В.
3.2.3. Оборудование и технология
Для технологических целей в промышленности применяются в основном твердотельные и газовые оптические квантовые генераторы, а также волоконные. Первые технологические
установки разработаны в нашей стране в 1964–1966 гг. на основе рубинового лазера и были предназначены для сварки
и сверления металлов. Максимальная энергия излучения установок СУ-1, УЛ-2 не более 2 Дж, установки УЛ-20 — 20 Дж.
В 1969 г. была создана установка СЛС-10-1 с использованием
лазера на неодимовом стекле. Энергия излучения составляла
8 Дж. Для точечной и шовной сварки деталей толщиной до 1 мм
разработаны более мощные установки «Квант-10» (15 Дж).
112
Стекло значительно дешевле рубиновых стержней, но имеет низкую теплопроводность, что требует снижения частоты
посылаемых импульсов.
Более мощные технологические установки изготовлены
на основе газовых лазеров. При осуществлении сварки лазерным лучом существует возможность получить плотности
энергии того же свойства, что и при использовании электронного луча. Из-за отсутствия пространственного заряда упрощается процесс фокусировки оптического луча. Такой способ
более универсальный, так как с металлами можно работать
и на воздухе, в защитной атмосфере, и в вакууме. Возможность
точной дозировки энергии позволяет использовать этот метод
особенно эффективно при сварке микросоединений. Небольшая
длительность термического цикла сварки позволяет получать
качественное соединение на ряде металлов, особо чувствительных к длительному воздействию теплоты. Кроме того, появляются новые возможности, которые невозможно осуществить
при иных способах сварки (например, сварка через прозрачные оболочки, так как для световых лучей прозрачные среды
не служат преградами).
Рассмотрим режимы лазерной резки. Метод лазерной
сварки состоит в совместном расплавлении кромок соединяемых металлов и сплавов под действием интенсивного лазерного излучения. При этом образуются сварная точка или шов.
Шовная сварка может осуществляться как импульсным, так
и непрерывным излучением.
Соединение материалов может быть получено следующими способами:
расплавлением двух кромок соединяемых деталей;
расплавлением только одного из соединяемых материа-
лов и наплавлением его на другой материал (сварка наплавлением);
расплавлением присадочного материала и наплавле-
нием его на соединяемые материалы (сварка с присадкой).
113
Присадочный материал — проволока, лента, промежуточная прокладка, изготавливаемые из более легкоплавких
материалов, чем свариваемые. К конструкции соединений элементов, изготовленных из одного материала (кроме молибдена,
вольфрама, сплавов МД), особых требований не предъявляется.
Способ подготовки кромок элементов, изготовленных
из молибдена, вольфрама, сплавов МД, следует выбирать
в зависимости от толщины кромок элемента в месте соединения. Для сварки типа «лист с листом» при толщине кромок
= 0,4 ÷ 0,5 мм следует выбирать тип соединений с диаметром
S
1, 2
пятна лазерного излучения d
> S1 + S2 + b, где b = 0,35 — зазор
л
между двумя свариваемыми листами. При толщине кромок
S
> 0,5 мм следует выбирать соединение с буртиками, глуби-
1, 2
на которых — h ≈ b
= 0,5 мм, ширина — δ1 ≈ δ2 = 0,5 мм.
2
Сварку элементов из молибдена, вольфрама, сплавов
МД следует проводить с полным оплавлением кромок,
т. е . d
> S1 + S2 + b.
л
Если невозможно удовлетворить эти требования, следует
применять соединение под сварку со вставкой. Толщина вставки δ ≈ 0,1 ÷ 0,2 мм; материалы вставки — тантал, ниобий.
Конструкцию сварного соединения и способ сварки элементов из разных материалов выбирают с учетом их температур
плавления и коэффициента отражения лазерного излучения.
К сварке материалов с разницей температур плавления
менее 300 ºС и коэффициентов отражения менее 10% особых
требований не предъявляется. При сварке стыковых соединений материалов с разницей температур плавления более
300 ºС и коэффициентов отражения не менее 10% необходимо
уравновешивать тепловложение путем смещения лазерного
луча от стыка в сторону более тугоплавкого или сильнее отражающего материала на 10–30% от величины диаметра луча.
При наплавке легкоплавкого материала (такого как сталь,
29НК, НМ-40А, никель) на тугоплавкий материал (молибден,
вольфрам) следует предусматривать повышение кромки легкоплавкого материала над тугоплавким на 0,05–0,2 мм.
114
Твердотельные лазеры применяются в основном для сварки металлов малых толщин — до 2 мм. Исследования в сфере
сварки коррозионностойких сталей и титановых сплавов установили возможность получения качественных соединений
на листовом металле толщиной 0,1–2 мм. При этом обеспечиваются вакуумная плотность и прочность не ниже 90% прочности
основного материала. Скорость сварки листов толщиной 0,5 мм
составляет 10–15 м/ч.
Широкое применение сварка лазерами средней и малой
мощности находит в радиоэлектронике и электронной технике
при соединении контактов проводников с пленками на микроплатах, твердых схемах и микроэлементах. Лазерным лучом
могут быть сварены разные сочетания металлов, используемых в микроэлектронике: германий — золото, золото — кремний, медь — алюминий, никель — тантал и др. Необходимо
также отметить использование лазеров в лечении глазных
болезней — приваривание отслоившейся сетчатки, лечение
глаукомы и др.
Листовые материалы большей толщины обычно сваривают
газовыми CO
-лазерами и мощными волоконными. CO2-лазер
2
принято называть «рабочей лошадкой» лазерной обработки,
так как долгое время у него не было альтернативы на рынке
лазерных услуг при необходимости выйти за диапазон толщин,
ограниченных возможностями твердотельных лазеров. С появлением волоконных лазеров ситуация несколько изменилась.
Мощные (01–1 кВт) волоконные лазеры характеризуются
высоким КПД (25–30%), в 2–3 раза превосходящим лучшие
промышленные CO
-лазеры. Сверхмощные волоконные лазеры
2
мощностью выше 10 кВт продвинулись еще дальше. На данный
момент единственная компания в мире, производящая волоконные лазеры названного уровня мощности, — международная
группа «IPG Photonics». Основная область таких лазеров — это
сварка металлов больших толщин в судостроении и нефтегазовой отрасли. Кроме того, лазеры считаются основой перспективных технологий при осуществлении бурения и обустройства скважин, для добычи газа из залежей газового конденсата
115
на морском шельфе, однако для подобных задач потребуются
лазеры мощностью несколько сотен ки ловатт.
Кроме сварочных процессов лазер может использоваться
и в процессах пайки практически любым из существующих
способов припоев — от оловянно-свинцовых до тугоплавких
на основе никеля и титана. Это происходит благодаря широким
пределам регулирования энергетических параметров, а оптический источник позволяет сваривать и неметаллические
материалы (керамику, стекло и пластмассы). Довольно успешно
применяется сварка шлакового стекла, используемого в различных изделиях народно-хозяйственного значения. При этом
оптический источник теплоты можно использовать также для
локальной термообработки сварных соединений.
Лазерная обработка может применяться для очистки поверхностей, получения отверстий, резки и фрезерования материалов, при этом она включает в себя этапы нагрева, плавления
и испарения материала анализируемого объекта. Весь процесс
может быть разделен на несколько стадий, таких как:
1) поглощение света и передача энергии тепловым колеба-
ниям решетки твердого тела;
2) нагревание материала без разрушения;
3) разрушение материала и разлет образующихся про дуктов;
4) остывание после окончания взаимодействия.
Технология лазерной очистки применяется в самых разных
областях техники и науки — начиная от медицины и электроники и заканчивая чисткой антиквариата и ювелирных изделий.
Рассмотрим технологию лазерной очистки на примере использования в производстве микроострийных катодов и очистки сварных соединений в электронике. Известна технология
изготовления микроострийных автоэмиссионных катодов (АЭК)
из стеклоуглерода со средней плотностью токоотбора с поверхности более 1 А/см
2
. Эта технология содержит протяженный
технологический маршрут, включающий в себя фотолитографию, термохимическое травление в среде водорода в присутствии металлического катализатора, ионно-плазменное заострение, электроискровую обработку и операции тщательной
116
очистки поверхности стеклоуглерода как перед выполнением,
так и после каждого из указанных технологических процессов,
что затрудняет промышленное освоение АЭК. Исследования
технологии производства многоострийных АЭК продолжаются с целью решения наиболее актуальных задач, таких как
повышение средней плотности токоотбора с их поверхности,
снижение трудоемкости их производства. Одним из наиболее
перспективных альтернативных методов является широкое использование лазерных технологий на всех этапах изготовления
многоострийных АЭК из монолитного стеклоуглерода
73
.
При изготовлении автоэмиссионных катодов из цельных
заготовок стеклоуглерода с помощью лазерного фрезерования
и структурирования эмитирующей поверхности продукты
испарения оседают на структурированную поверхность, появляется необходимость очистки поверхности. Предлагается
проводить очистку поверхности в едином технологическом
процессе как завершающую часть операций структурирования
поверхности. Данная технология позволит сократить время
производства и количество операций, проводимых на другом
оборудовании, повысить качество электронных компонентов
с микроострийными структурами.
Контрольные вопросы
1. Назовите принцип действия квантовых генераторов.
2. Какие существуют основные типы лазеров?
3. Какова энергетическая схема квантового генератора
на кристалле рубина?
4. Приведите оптическую схему лазерной головки.
5. Какова схема газоразрядной камеры газового лазера?
6. Назовите функции системы управления лазерной уста-
новки.
7. Назовите возможности лазерной очистки и фрезеровки
при изготовлении микроострийных автоэмиссионных катодов.
73
Сварка и свариваемые материалы. В 3 т. Т. 2. Технология и обору-
дование/Под ред. В. М. Ямпольского. — М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 1996.
117
Глава 4. ГАЗОВАЯ СВАРКА
4.1. Сущность процесса
Газовая сварка относится к сварке плавлением. Сущность
процесса заключается в том, что расправление основного и подаваемого в зону сварки присадочного материала происходит
за счет теплоты газового пламени, образующегося при сгорании
горючего газа в смеси с кислородом (рис. 4.1).
o
C
1,5 ... 1,6
o
C
3,4 ... 3,8
Рис. 4.1. Сварочное пламя:
1 — ядро; 2 — восстановительная зона; 3 — факел;
4 — свариваемый металл; L — длина ядра
74
Газовая сварка обладает следующими основными досто-
инствами.
74
Костенко Е.М. Указ. соч. — С. 112.
118
1. Способ сравнительно прост, не требует сложного и доро-
гого оборудования.
2. Не требуется источник электрической энергии, что позволяет выполнять сварку в полевых условиях, на строительных
площадках и т. п.
3. Регулируя мощность пламени, можно регулировать скорость нагрева и охлаждения, вести сварку с предварительным
подогревом, что особенно ценно при сварке чугуна, некоторых
легированных сталей.
4. Сварочное пламя обеспечивает вокруг расплавленного
металла защиту от воздействия окружающего воздуха.
5. Толщина свариваемого металла — от десятых долей
миллиметра до нескольких миллиметров.
6. Можно выполнять сварку в любом пространственном
положении.
В то же время газовая сварка имеет некоторые недостатки.
1. Зона термического воздействия на металл велика, что
вызывает большие сварочные деформации.
2. Производительность значительно снижается с увеличением толщины свариваемого металла. Например, при толщине
1 мм скорость сварки составляет примерно 10 м/ч, а при толщине 10 мм — 2 м/ч.
3. Стоимость горючего газа и кислорода выше стоимости
электроэнергии.
4. Процесс сварки трудно поддается автоматизации и механизации, поэтому обычно выполняется вручную.
Тем не менее газовая сварка широко распространена и применяется для сварки цветных металлов, чугуна, углеродистых
и легированных сталей небольшой толщины, наплавки твердых
сплавов, при монтаже труб, ремонтных работах.
Кислород используется для образования горючей смеси.
Температура пламени при сгорании горючих газов в смеси
с кислородом значительно выше, чем при сгорании этих газов
в смеси с воздухом. Для сварки используется технически чистый кислород с чистотой не ниже 98,5%.
119
При нормальной температуре и атмосферном давлении
кислород представляет собой газ без цвета и запаха, плотностю
1,43 кг/м
3
.
Промышленный способ производства технически чистого
кислорода основан на глубоком охлаждении воздуха. При ох-
0
лаждении до температуры примерно –200
С воздух переходит
в жидкое состояние. Затем температуру постепенно поднимают.
Вначале испаряется азот. Оставшийся кислород подвергают
многократной ректификации с целью очистки. Для сварки газообразный кислород поставляют в баллонах, где он находится
под давлением 150 атм.
В качестве горючих газов при газовой сварке используются
ацетилен, природный газ, пропано-бутановая смесь, керосин,
бензин и некоторые другие газы. Наибольшее распространение
получил ацетилен, так как он дает наибольшую теплоту сгорания (12 600 ккал/м
3
) и более высокую температуру пламени.
Ацетилен — это химическое соединение углерода с водородом (С
). Он представляет собой бесцветный газ с характерным
2Н2
резким запахом, длительное вдыхание ацетилена вызывает
головокружение или общее отравление.
Ацетилен взрывается при следующих условиях.
1. Взрыв может произойти при избыточном давлении свы-
ше 1,5 атм и одновременном нагревании до 450–500
0
С.
2. В смеси с воздухом или кислородом при содержании ацетилена более 1,5% взрыв может произойти от искры, пламени
или местного нагрева.
Промышленный способ получения ацетилена основан
на взаимодействии карбида кальция с водой по реакции
СаС
+ 2Н2 О = С2Н2 + Са(ОН)2.
2
Из 1 кг карбида кальция получают примерно 260 л газооб-
разного ацетилена.
Карбид кальция получают сплавлением кокса и негашеной
извести в электропечах
СаО + 3С = СаС
+ СО.
2
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]